Очищення повітря, забруднення атмосфери
В даний час існує велика кількість різних методів очищення повітря від різних шкідливих забруднень. До основних способів належать:
- Абсорбційний метод.
- Адсорбційний метод.
- Термічне дожигание.
- Термокаталітіческіе методи.
- Озон методи.
- Плазмохімічні методи.
- Плазмокаталітіческій метод.
- Фотокаталітичний метод.
абсорбційний метод
А бсорбція являє собою процес розчинення газоподібного компонента в рідкому розчиннику. Абсорбція системи поділяють на водні і неводні. У другому випадку застосовують зазвичай малолетучие органічні рідини. Рідина використовують для абсорбції тільки один раз або ж проводять її регенерацію, виділяючи забруднювач в чистому вигляді. Схеми з одноразовим використанням поглинача застосовують в тих випадках, коли абсорбція приводить безпосередньо до отримання готового продукту або напівпродукту. Як приклади можна назвати:
- отримання мінеральних кислот (абсорбція SO3 у виробництві сірчаної кислоти, абсорбція оксидів азоту у виробництві азотної кислоти);
- отримання солей (абсорбція оксидів азоту лужними розчинами з отриманням нітрит-нітратних лугів, абсорбція водними розчинами вапна або вапняку з отриманням сульфату кальцію);
- інших речовин (абсорбція NH3 водою для отримання аміачної води та ін.).
А дсорбціонний метод
А дсорбціонний метод є одним з найпоширеніших засобів захисту повітряного басейну від забруднень. Тільки в США введені і успішно експлуатуються десятки тисяч адсорбційних систем. Основними промисловими адсорбентами є активоване вугілля, складні оксиди і насичені сорбенти. Активоване вугілля (АУ) нейтральний по відношенню до полярних і неполярних молекул адсорбованих сполук. Він менш селективний, ніж багато інших сорбенти, і є одним з небагатьох, придатних для роботи у вологих газових потоках. Активоване вугілля використовують, зокрема, для очищення газів від яких тхне речовин, рекуперації розчинників і т.д.
Про ксідние адсорбенти (ОА) мають більш високу селективність по відношенню до полярних молекул в силу власного неоднорідного розподілу електричного потенціалу. Їх недоліком є зниження ефективності в присутності вологи. До класу ОА відносять силикагели, синтетичні цеоліти, оксид алюмінію.
М ожно виділити наступні основні способи здійснення процесів адсорбційного очищення:
- Після адсорбції проводять десорбцію і витягують уловлені компоненти для повторного використання. Таким способом вловлюють різні розчинники, сірковуглець у виробництві штучних волокон і ряд інших домішок.
- Після адсорбції домішки трохи утилізують, а піддають термічній або каталітичного допалювання. Цей спосіб застосовують для очищення газів, що відходять хіміко-фармацевтичних і лакофарбових підприємств, харчової промисловості та ряду інших виробництв. Цей різновид адсорбційної очистки економічно виправдана при низьких концентраціях забруднюючих речовин і (або) багатокомпонентних забруднювачів.
- Після очищення адсорбент НЕ регенерують, а піддають, наприклад, похованню або спалюванню разом з міцно хемосорбірованним забруднювачем. Цей спосіб придатний при використанні дешевих адсорбентів.
термічне дожигание
Д Ожиганов є метод знешкодження газів шляхом термічного окислення різних шкідливих речовин, головним чином органічних, в практично нешкідливих або менш шкідливих, переважно СО2 і Н2 О. Звичайні температури допалювання для більшості з'єднань лежать в інтервалі 750-1200 ° C. Застосування термічних методів дожигания дозволяє досягти 99% -ної очистки газів.
П ри розгляді можливості і доцільності термічного знешкодження необхідно враховувати характер утворюються продуктів горіння. Продукти спалювання газів, що містять сполуки сірки, галогенів, фосфору, можуть перевершувати за токсичністю вихідний газовий викид. В цьому випадку необхідне додаткове очищення. Термічне дожигание вельми ефективно при знешкодженні газів, що містять токсичні веществав вигляді твердих включень органічного походження (сажа, частинки вуглецю, деревний пил і т.д.).
У ажнейшімі факторами, що визначають доцільність термічного знешкодження, є витрати енергії (палива) для забезпечення високих температур в зоні реакції, калорійність знешкоджує домішок, можливість попереднього підігріву газів, що очищаються. Підвищення концентрації допалюють домішок веде до значного зниження витрати палива. В окремих випадках процес може протікати в автотермічний режимі, т. Е. Робочий режим підтримується тільки за рахунок тепла реакції глибокого окислення шкідливих домішок і попереднього підігріву вихідної суміші відходять знешкоджених газами.
П рінціпіальную труднощі при використанні термічного допалювання створює утворення вторинних забруднювачів, таких як оксиди азоту, хлор, SO2 та ін.
Т ерміческіе методи широко застосовуються для очищення газів, що відходять від токсичних горючих сполук. Розроблені в останні роки установки допалювання відрізняються компактністю і низькими енерговитратами. Застосування термічних методів ефективно для допалювання пилу багатокомпонентних і запилених газів, що відходять.
термокаталітіческіе методи
До аталітіческіе методи газоочистки відрізняються універсальністю. З їх допомогою можна звільняти гази від оксидів сірки та азоту, різних органічних сполук, монооксиду вуглецю та інших токсичних домішок. Каталітичні методи дозволяють перетворювати шкідливі домішки в нешкідливі, менш шкідливі і навіть корисні. Вони дають можливість переробляти багатокомпонентні гази з малими початковими концентраціями шкідливих домішок, добиватися високих ступенів очищення, вести процес безперервно, уникати утворення вторинних забруднювачів. Застосування каталітичних методів найчастіше обмежується трудністю пошуку та виготовлення придатних для тривалої експлуатації і досить дешевих каталізаторів. Гетерогенно-каталітична перетворення газоподібних домішок здійснюють в реакторі, завантаженому твердим каталізатором у вигляді пористих гранул, кілець, кульок або блоків із структурою, близькою до стільникового. Хімічне перетворення відбувається на розвиненій внутрішній поверхні каталізаторів, що досягає: 1000 м² / г.
В якості ефективних каталізаторів, що знаходять застосування на практиці, служать самі різні речовини - від мінералів, які використовуються майже без будь-якої попередньої обробки, і простих масивних металів до складних з'єднань заданого складу і будови. Зазвичай каталітичну активність проявляють тверді речовини з іонними або металевими зв'язками, що володіють сильними міжатомними полями. Одне з основних вимог, що пред'являються до каталізатора - стійкість його структури в умовах реакції. Наприклад, метали не повинні в процесі реакції перетворюватися в неактивні сполуки.
З овременного каталізатори знешкодження характеризуються високою активністю і селективністю, механічною міцністю і стійкістю до дії отрут і температур. Промислові каталізатори, що виготовляються у вигляді кілець і блоків стільникової структури, володіють малим гідродинамічним опором і високою зовнішньої питомою поверхнею.
Н аібольшее поширення набули каталітичні методи знешкодження газів, що відходять в нерухомому шарі каталізатора. Можна виділити два принципово різних методи здійснення процесу газоочистки - в стаціонарному і в штучно створюваному нестаціонарному режимах.
1. Стаціонарний метод.
П ріемлемие для практики швидкості хімічних реакцій досягаються на більшості дешевих промислових каталізаторів при температурі 200-600 ° C. Після попереднього очищення від пилу (до 20 мг / м³) та різних каталітичних отрут (As, Cl2 та ін.), Гази зазвичай мають значно нижчу температуру.
П одогрев газів до необхідних температур можна здійснювати за рахунок введення гарячих димових газів або за допомогою електропідігрівачем. Після проходження шару каталізатора очищені гази викидаються в атмосферу, що вимагає значних енерговитрат. Домогтися зниження енерговитрат можна, якщо тепло відхідних газів використовувати для нагрівання газів, що надходять в очистку. Для нагріву служать зазвичай рекуперативні трубчасті теплообмінники.
П ри певних умовах, коли концентрація горючих домішок в газах перевищує 4-5 г / м³, здійснення процесу по схемі з теплообмінником дозволяє обійтися без додаткових витрат.
Т акі апарати можуть ефективно працювати тільки при постійних концентраціях (витратах) або при використанні досконалих систем автоматичного управління процесом.
Е ти труднощі вдається подолати, проводячи газоочистку в нестаціонарному режимі.
2. Нестаціонарний метод (реверс-процес).
Р Еверс-процес передбачає періодичну зміну напрямків фільтрації газової суміші в шарі каталізатора за допомогою спеціальних клапанів. Процес протекаетследующім чином. Шар каталізатора попередньо нагрівають до температури, при якій каталітичний процес протікає з високою швидкістю. Після цього в апарат подають очищений газ з низькою температурою, при якій швидкість хімічного перетворення дуже мала. Від прямого контакту з твердим матеріалом газ нагрівається, і в шарі каталізатора починає з помітною швидкістю йти каталітична реакція. Шар твердого матеріалу (каталізатора), віддаючи тепло газу, поступово охолоджується до температури, що дорівнює температурі газу на вході. Оскільки в ході реакції виділяється тепло, температура в шарі може перевищувати температуру початкового розігріву. У реакторі формується теплова хвиля, яка переміщається в напрямку фільтрації реакційної суміші, тобто в напрямку виходу з шару. Періодичне перемикання напрямку подачі газу на протилежне дозволяє утримати теплову хвилю в межах шару як завгодно довго.
П реімущество цього методу в стійкості роботи при коливаннях концентрацій горючих сумішей і відсутність теплообмінників.
Про сновним напрямом розвитку термокаталітіческіх методів є створення дешевих каталізаторів, ефективно працюють при низьких температурах і стійких до різних отрут, а також розробка енергозберігаючих технологічних процесів з малими капітальними витратами на обладнання. Найбільш масове застосування термокаталітіческіе методи знаходять при очищенні газів від оксидів азоту, знешкодженні та утилізації різноманітних сірчистих сполук, знешкодження органічних сполук і СО.
Д ля концентрацій нижче 1 г / м³ і великих обсягів газів, що очищаються використання термокаталітіческого методу вимагає високих енерговитрат, а також великої кількості каталізатора.
озон методи
Про зонні методи застосовують для знешкодження димових газів від SO2 (NOx) і дезодорації газових викидів промислових підприємств. Введення озону прискорює реакції окислення NO до NO2 і SO2 до SO3. Після утворення NO2 і SO3 в димові гази вводять аміак і виділяють суміш утворилися комплексних добрив (сульфату і нітрату амонію). Час контакту газу з озоном, необхідне для очищення від SO2 (80-90%) і NOx (70-80%) становить 0,4 - 0,9 сек. Енерговитрати на очистку газів озонним методом оцінюють в 4-4,5% від еквівалентної потужності енергоблоку, що є, мабуть, основною причиною, яка стримує промислове застосування даного методу.
П рименение озону для дезодорації газових викидів засноване на окислювальному розкладанні яких тхне речовин. В одній групі методів озон вводять безпосередньо в очищаються гази, в інший гази промивають попередньо озонованою водою. Застосовують також подальше пропускання озонованого газу через шар активованого вугілля або подачуего на каталізатор. При введенні озону і подальшому пропущенні газу через каталізатор температура перетворення таких речовин як аміни, ацетальдегід, сірководень і др.поніжается до 60-80 ° C. В якості каталізатора використовують як Pt / Al2 O3. так і оксиди міді, кобальту, заліза на носії. Основне застосування озону методи дезодорації знаходять при очищенні газів, які виділяються при переробці сировини тваринного походження на м'ясо- (жиро) комбінатах і в побуті.
П лазмохіміческій метод
П лазмохіміческій метод заснований на пропущенні через високовольтний розряд повітряної суміші з шкідливими домішками. Використовують, як правило, озонатори на основі бар'єрних, коронних або ковзають розрядів, або імпульсні високочастотні розряди на електрофільтрах. Проходить низькотемпературну плазму повітря з домішками піддається бомбардуванню електронами і іонами. В результаті в газовому середовищі утворюється атомарний кисень, озон, гідроксильні групи, збуджені молекули й атоми, які і беруть участь в плазмохимических реакціях з шкідливими домішками. Основні напрямки щодо застосування даного методу йдуть з видалення SO2. NOx і органічних сполук. Використання аміаку, при нейтралізації SO2 і NOx, дає на виході після реактора порошкоподібні добрива (NH4) 2 SO4 і NH4 NH3. які фільтруються.
Н едостатком даного методу є:
- недостатньо повне розкладання шкідливих речовин до води і вуглекислого газу, в разі окислення органічних компонентів, при прийнятних енергіях розряду
- наявність залишкового озону, який необхідно розкладати термічно або каталітично
- істотна залежність від концентрації пилу при використанні озонаторів із застосуванням бар'єрного розряду.
П лазмокаталітіческій метод
Е то досить новий спосіб очищення, який використовує два відомих методу - плазмохімічний і каталітичний. Установки, що працюють на основі цього методу, складаються з двох ступенів. Перша - це плазмохімічний реактор (озонатор), друга - каталітичний реактор. Газоподібні забруднювачі, проходячи зону високовольтного розряду в газорозрядних осередках і взаємодіючи з продуктами електросинтезу, руйнуються і переходять в нешкідливі з'єднання, аж до CO2 і H2 O. Глибина конверсії (очищення) залежить від величини питомої енергії, що виділяється в зоні реакції. Після плазмохимического реактора повітря піддається фінішної тонкої очистки в каталітичному реакторі. Синтезується в газовому розряді плазмохімічного реактора озон потрапляє на каталізатор, де відразу розпадається на активний атомарний і молекулярний кисень. Залишки забруднюючих речовин (активні радикали, збуджені атоми і молекули), не знищені в плазмохімічному реакторі, руйнуються на каталізаторі завдяки глибокому окисленню киснем.
П реімуществом цього методу є використання каталітичних реакцій при температурах, нижчих (40-100 ° C), ніж при термокаталітіческого методі, що призводить до збільшення терміну служби каталізаторів, а також до менших енерговитратах (при концентрації шкідливих речовин до 0,5 г / м³.).
Н едостаткамі даного методу є:
- велика залежність від концентрації пилу, необхідність попереднього очищення до концентрації 3-5 мг / м³,
- при великих концентраціях шкідливих речовин (понад 1 г / м³) вартість устаткування і експлуатаційні витрати перевищують відповідні витрати в порівнянні з термокаталітіческім методом
Ф отокаталітіческій метод
З араз широко вивчається і розвивається фотокаталітичний метод окислення органічних сполук. В основному при цьому використовуються каталізатори на основі TiO2. які опромінюються ультрафіолетом. Відомі засоби для очищення повітря японської фірми «Daikin», що використовують цей метод. Недоліком методу є засмічення каталізатора продуктами реакції. Для вирішення цього завдання використовують введення в очищається суміш озону, проте дана технологія може бути застосована для обмеженого складу органічних сполук і при невеликих концентраціях.